你不知道的電感器：電感的前世今生

1、 什么是電感電感(Inductor,也稱Choke)是能夠把電能轉(zhuǎn)化為磁能而存儲(chǔ)起來(lái)的元件。電感器的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于變壓器(Transformer)，但只有一個(gè)繞組(Winding)。電感具有一定的電感(inductance)，它只阻礙電流(Current)的變化。如果電感器在沒(méi)有電流通過(guò)的狀態(tài)下，電路接通時(shí)它將試圖阻礙電流流過(guò)它；如果電感器在有電流通過(guò)的狀態(tài)下，電路斷開(kāi)時(shí)它將試圖維持電流不變。電感又稱扼流器、電抗器、動(dòng)態(tài)電抗器等等。電感的代碼為L(zhǎng),在電路圖中的符號(hào)為：電感的原理電感是一種能將電能通過(guò)磁通量的形式儲(chǔ)存起來(lái)的被動(dòng)電子元件。通常為導(dǎo)線卷繞的樣子，當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，會(huì)從電流流過(guò)方向的右邊產(chǎn)生

2、磁場(chǎng)。法拉第電磁感應(yīng)定律說(shuō)，變化的磁場(chǎng)同時(shí)產(chǎn)生電壓和電流。那么,如果線圈中的電流是變化的，造成了磁場(chǎng)的變化，（也就是一般的交流電或者高頻電流）線圈會(huì)發(fā)生什么變化呢？交流電是指隨時(shí)間推移電流大小和方向會(huì)發(fā)生周期性變化的電流。當(dāng)交流電通過(guò)電感時(shí)，電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)將其他的繞線切隔，形成變化的磁場(chǎng)，因而產(chǎn)生反向電壓(Voltage)，從而阻礙電流變化。特別是當(dāng)電流突然增加時(shí)，變化的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)和電流相反方向的（即電流減少方向）的電壓，來(lái)阻礙電流的增加。反之當(dāng)電流減少時(shí)，則向電流增加的方向產(chǎn)生一個(gè)電壓來(lái)阻礙電流的減少。另一方面，直流電由于電流不會(huì)發(fā)生變化，就不會(huì)發(fā)生反向電壓。也就是說(shuō)，如果在不考慮線圈電

3、阻值(Resistance很小)的情況下，電感器是可以讓直流電通過(guò)，對(duì)于直流的阻抗（Impedance）很小，而通不過(guò)交流電的元器件。不過(guò)，在直流進(jìn)行切斷的時(shí)候，也就是電流瞬間巨變的時(shí)候，電感會(huì)產(chǎn)生一個(gè)非常大的反向電壓。這個(gè)反向電壓特性也是現(xiàn)在電力電子能源轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)，這個(gè)我們會(huì)在后面做詳細(xì)討論。電感的結(jié)構(gòu)電感的結(jié)構(gòu)主要由線圈繞組(Coil/Winding)和磁芯(Core)，以及輔助的支撐封裝材料組成。線圈(Winding/Coil)主要起導(dǎo)電作用，目前通用的是銅線和鋁線。銅線的導(dǎo)電性能比較好，損耗低，但是價(jià)格和重量相對(duì)較高。鋁線圈的價(jià)格和重量低，但是因?yàn)閷?dǎo)電性能一般而損耗高。傳統(tǒng)工藝中，鋁線

4、與焊錫的結(jié)合不是很穩(wěn)定，但是在現(xiàn)代工藝中已經(jīng)得到解決。磁芯(Core)是由一些比空氣的磁導(dǎo)率(Permeability)高的材料組成，把磁場(chǎng)更緊密地約束在電感元件周?chē)?，因而增大了電感。?shí)際上好的磁芯是幫助電感將能量更方便的存儲(chǔ)在更小的空間中，因此好的磁芯對(duì)于電感性能的變化非常重要。磁芯是指由各種氧化鐵混合物組成的一種燒結(jié)磁性金屬氧化物。磁芯的發(fā)展經(jīng)歷了由傳統(tǒng)的硅鋼片(Laminatedsiliconsteel)，到鐵粉(Ironpowder),鐵氧體(Ferrite),鐵硅(FeSi),鐵鎳鉬(Kool-Mu/Sendust),非晶合金(amorphousalloy)等變化。選擇合適的磁芯，最

5、重要的是考慮不同的B-H曲線和頻率特性。特別是，B-H曲線決定了電感的高頻損耗，飽和曲線(Saturation)及電感量(Inductance).磁芯從形狀又可以分成，圓柱型(Cylindrical),“C”/“U”型，”E”型，”EI”型，PQ型，環(huán)型(Toroidal)等等。電感的分類(lèi)自感與互感一般來(lái)說(shuō)，電感只有一個(gè)繞組線圈，這個(gè)時(shí)候的電感又稱為單相電感(singlephaseinductor),或者自感(self-inductance)自感.它的自感量又稱為自感系數(shù)。有些時(shí)候電感也會(huì)有多個(gè)線圈，而線圈之間會(huì)影響的時(shí)候，就出現(xiàn)了互感。他們之間的感應(yīng)關(guān)系也成為互感系數(shù)。互感有一種特殊的應(yīng)用叫

6、做共模電感(CommonModeInductor)。共模電感(CommonModeChoke)，也叫共模扼流圈，是在一個(gè)閉合磁環(huán)上對(duì)稱繞制方向相反、匝數(shù)相同的線圈。理想的共模扼流圈對(duì)L（或N）與E之間的共模干擾具有抑制作用，而對(duì)L與N之間存在的差模干擾無(wú)電感抑制作用。但實(shí)際線圈繞制的不完全對(duì)稱會(huì)導(dǎo)致差模漏電感的產(chǎn)生。信號(hào)電流或電源電流在兩個(gè)繞組中流過(guò)時(shí)方向相反，產(chǎn)生的磁通量相互抵消，扼流圈呈現(xiàn)低阻抗。共模噪聲電流（包括地環(huán)路引起的騷擾電流，也處稱作縱向電流）流經(jīng)兩個(gè)繞組時(shí)方向相同，產(chǎn)生的磁通量同向相加，扼流圈呈現(xiàn)高阻抗，從而起到抑制共模噪聲的作用。單相與三相一般的電感都是只有一組輸入輸出，主要

7、用于單相(Single-Phase)，或者直流變換的用途。但是，出于體積的成本的考慮，在三相系統(tǒng)中，也有三相耦合的三相電感(ThreePhaseInductor)。除上之外，電感按照頻率可以分成高頻電感和低頻電感；按照封裝可以分為，PCB貼片電感，直插式電感，灌膠電感和獨(dú)立電感；按照冷卻方式可以分為，自然冷卻(NaturalConvection)，風(fēng)扇冷卻(ForcedAirCooling)和液態(tài)冷卻(LiquidCooling)。電感特性及設(shè)計(jì)參數(shù)電感量(Inductance)電感量也稱自感系數(shù)，是表示電感器產(chǎn)生自感應(yīng)能力的一個(gè)最重要的參數(shù)。電感量的基本單位是亨利（簡(jiǎn)稱亨），用字母“H”表示

8、。常用的單位還有毫亨（mH）和微亨（H），它們之間的關(guān)系是：1H=1000mH，1mH=1000H.電感器電感量的大小，主要取決于線圈的圈數(shù)（匝數(shù)Turns）、繞制方式、有無(wú)磁心及磁心的材料等等。電感量的計(jì)算公式如下所示。也就是說(shuō)，電感量去線圈匝數(shù)乘平方正比關(guān)系，和磁導(dǎo)率及磁導(dǎo)面積都成一次正比關(guān)系。要注意的是，這邊的磁導(dǎo)率(Permeability)是整個(gè)磁路的有效磁導(dǎo)率，也就是說(shuō)當(dāng)磁路中增加了氣隙和漏磁的時(shí)候，都會(huì)對(duì)等效磁導(dǎo)率產(chǎn)生影響。額定電流(Ir,Is)額定電流是指電感器在允許的工作環(huán)境下能承受的最大電流值，是電感規(guī)格書(shū)中的重要參數(shù)。若工作電流超過(guò)額定電流，則電感器就會(huì)因發(fā)熱而使性能參數(shù)

9、發(fā)生改變。長(zhǎng)期的超負(fù)載運(yùn)行甚至還會(huì)因過(guò)流而燒毀。飽和(Saturation)一般的電感都有一條磁化曲線(B-HCurve),這是一條反應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的一條對(duì)應(yīng)曲線。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H增加時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B逐漸趨于一個(gè)最大值，即為該物質(zhì)的飽和度。事實(shí)上，飽和之后，磁感應(yīng)強(qiáng)度B也在逐漸增加，但比達(dá)到飽和度前的增長(zhǎng)速率小了3個(gè)數(shù)量級(jí)。磁場(chǎng)強(qiáng)度H和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系可以用磁導(dǎo)率：或相對(duì)磁導(dǎo)率表達(dá)，當(dāng)中的是真空磁導(dǎo)率。磁性金屬的磁導(dǎo)率不是一個(gè)恒定不變的量，而是取決于磁場(chǎng)強(qiáng)度H。在可飽和的金屬中，相對(duì)磁導(dǎo)率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度H的增加達(dá)到一個(gè)最大值，然后隨著它的飽和發(fā)生轉(zhuǎn)變?cè)贉p小.也就是說(shuō)，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H達(dá)到一定

10、程度的時(shí)候，因?yàn)楦袘?yīng)強(qiáng)度B飽和原因，磁導(dǎo)率會(huì)越來(lái)越小，易導(dǎo)致電感值越來(lái)越小(電感值與磁導(dǎo)率成正比).所以一般電感的電感值在0A電流的時(shí)候電感值最大，但是隨著電流增大電感值會(huì)慢慢下降；不同的磁芯材料，電感值的下降速度不一樣；當(dāng)電感值下降很快的時(shí)候，我們稱這個(gè)電感為SoftSaturation，當(dāng)電感值開(kāi)始下降很慢的時(shí)候，我們成為Stiff/HardSaturation.不少電感值在飽和后，只有原電感值的1/3,甚至1/10.這點(diǎn)變化也是電路設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的,所以一般來(lái)說(shuō)電感廠商會(huì)測(cè)試提供一條電感值飽和曲線共參考。損耗(Loss)當(dāng)電流通過(guò)電感的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生一定的損耗。電感的損耗主要有線圈損耗

11、(WindingLoss)和磁芯損耗(CoreLoss)線圈損耗(WindingLoss)是由直流損耗(DCWindingLoss)和交流損耗(ACWindingLoss)組成。直流線圈損耗很好理解，任何電流通過(guò)導(dǎo)線，由于電阻率的存在都會(huì)產(chǎn)生損耗，去導(dǎo)線長(zhǎng)度成正比，導(dǎo)線截面積成反比。線圈的交流損耗(ACWindingLoss)主要是由于導(dǎo)線的集膚效應(yīng)(skineffect)導(dǎo)致的等效導(dǎo)通面積減小而造成的損耗。交流電在導(dǎo)線中通過(guò)時(shí)，由于導(dǎo)線內(nèi)部渦旋電場(chǎng)，電子的流動(dòng)會(huì)趨向去表面。也就是說(shuō)，頻率越高，電流越趨向于導(dǎo)線表面的一層皮膚，有效導(dǎo)電的減小而增加損耗。磁芯損耗主要有渦流損耗和磁滯損耗組成。渦流

12、損耗是由于，在非均勻磁場(chǎng)中移動(dòng)或處在隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)中時(shí)，導(dǎo)磁體內(nèi)的感生的電流導(dǎo)致的能量損耗，叫做渦流損耗。現(xiàn)在的很多磁芯通過(guò)不同結(jié)構(gòu)來(lái)增加磁體健電阻率的方式來(lái)降低渦流損耗。磁滯損耗是磁芯更重要的一個(gè)高頻損耗。如前面的B-HCurve顯示的那樣,磁化強(qiáng)度滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度，它的磁通密度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間呈現(xiàn)磁滯回線關(guān)系。經(jīng)一次電流文波循環(huán)，每單位體積鐵芯中的磁滯損耗正比于磁滯回線的面積。也就是說(shuō)，當(dāng)電流紋波(CurrentRipple)越大的時(shí)候，磁滯回線的面積也就越大。不同的磁芯所擁有的BHCurve不一樣。磁滯損耗一般與紋波電流成平方正比，與頻率成一次正比關(guān)系。散熱(Thermal)/溫升(T

13、empRise)當(dāng)線圈和磁芯產(chǎn)生熱量的時(shí)候，需要有一定的散熱方式將能量釋放出來(lái)，否則會(huì)導(dǎo)致過(guò)度發(fā)熱而引起燒壞電感，或引起火災(zāi)。所以散熱和溫升的設(shè)計(jì)是電感穩(wěn)定性的重要保證。散熱方式主要有自然冷卻，風(fēng)扇冷卻，和液態(tài)冷卻三種方式。自然冷卻是利用空氣中的自然對(duì)流來(lái)進(jìn)行熱交換。風(fēng)扇冷卻使用風(fēng)扇使相對(duì)冷的空氣以一定速率吹過(guò)電感，把熱量帶出。由于電感的熱量存在于線圈和磁芯的各個(gè)角落，所以電感的結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)扇冷卻的效率影響很大。特別是當(dāng)磁芯或者內(nèi)層線圈被包在里面時(shí)候，怎樣讓冷風(fēng)到達(dá)發(fā)熱部分帶走熱量損耗是散熱設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。液冷的方式主要是在線圈和磁芯中通入一定的經(jīng)過(guò)隔離的液體的方式來(lái)散熱。由于液體的比熱要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于空氣

14、，這個(gè)液冷的方式的散熱效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于哪個(gè)是風(fēng)冷，當(dāng)然成本也更高。所以液冷一般應(yīng)用于大功率和高功率密度的電感中。允許偏差(Tolerance)允許偏差是指電感器上標(biāo)稱的電感量與實(shí)際電感的允許誤差值。由于電感值對(duì)電感的效果影響最大，實(shí)際中電感的偏差都會(huì)影響系統(tǒng)的效果和穩(wěn)定性。一般用于振蕩或?yàn)V波等電路中的電感器要求精度較高，允許偏差為±0.2%±0.5%；而用于耦合、高頻阻流等線圈的精度要求不高，同時(shí)線圈電感的氣隙，線圈分布和磁芯材料的一致性都比較難控制，一般允許偏差為±10%15%絕緣等級(jí)(InsulationClass)電感中由于有不同電壓等級(jí)和接地部位存在。處于安

15、全考慮，在電感的生產(chǎn)過(guò)程中，都要進(jìn)行電壓絕緣等級(jí)測(cè)試(Hi-PotTest),來(lái)驗(yàn)證組裝達(dá)到安全要求。電感的應(yīng)用電感是重要的電子元件，主要用于電路振蕩（Resonant），濾波(Filter)，高頻阻抗(HighFrequencyReactor)和抑制電磁干擾(EMIAttenuation)等應(yīng)用。特別是在現(xiàn)代電力電子的電能轉(zhuǎn)換中，無(wú)論從重要性還是成本體積來(lái)講，電感都是僅次于功率開(kāi)關(guān)管(PowerSemiconductor)的第二大電子元件。這里就稍微簡(jiǎn)單講一下，電感在現(xiàn)在電力電子中的幾個(gè)基本應(yīng)用。StepDownBuckConverterBuckConverter是利用快速切換的開(kāi)關(guān)管(一般

16、是MOSFET，或者是IGBT),把輸入的直流電按照一定占空比(DutyCycle=Ton/T)切成無(wú)數(shù)個(gè)小塊（如下圖的Vsw）。根據(jù)我們之前對(duì)電感的了解，我們知道電感的電流是不能瞬間改變的，如果正向的電壓加于電感的兩端會(huì)引起電感電流的增加。這個(gè)可以用以下微分公式來(lái)解釋：di/dt=(V)/L也就是說(shuō)，當(dāng)開(kāi)關(guān)管閉合的時(shí)候，電感電壓為正，電流以(Vin-Vo)/L的斜率上升持續(xù)Ton;當(dāng)開(kāi)關(guān)管打開(kāi)的時(shí)候，由于電感電流不能立即變?yōu)榱?，電流?huì)從二極管續(xù)流從而導(dǎo)致電感兩段電壓為-Vo,以Vo/L的斜率下降。這樣等同于把電壓像切黃瓜一樣切成無(wú)數(shù)的小塊，而電感用其電流不能瞬變的特性，將電流連接了起來(lái)；并和

17、電容一起組成了LC濾波器，對(duì)輸出電壓電流起到了鏈接并平滑作用。StepUpBoostConverterBuckConverter只能做對(duì)電壓的向下轉(zhuǎn)換，而下面的BoostConverter是利用電感將能量?jī)?chǔ)存在磁芯元件中的原理，將電壓做向上轉(zhuǎn)換。如下圖所示，當(dāng)開(kāi)關(guān)管閉合的時(shí)候，電感電流升高，能量杯儲(chǔ)存在了電感里面；當(dāng)開(kāi)關(guān)管打開(kāi)的時(shí)候，電流從二極管進(jìn)行續(xù)流，電感兩端的電壓變?yōu)?（Vo-Vin），因此電感電流以（Vo-Vin）/L的斜率持續(xù)下降tOFF時(shí)間。因?yàn)樵诜€(wěn)定的狀態(tài)下，電感電流上升的幅度要等于下降的幅度。因此，同樣的道理，通過(guò)不同的切割電壓電流的方式，我們?nèi)我饨M合，來(lái)達(dá)到我們想要的輸出電流

18、電壓波形，這個(gè)就是電力電子的嶄波控制法(PWM,PulseWidthModulation)。下面讓我們?cè)倏纯磶讉€(gè)更加貼近生活的應(yīng)用。小型通用家庭電源及充電器我們的電網(wǎng)系統(tǒng)都是以220V/380V為主的市電配電系統(tǒng)，然而我們目前用的幾乎所有的現(xiàn)在家用電子設(shè)備，包括電腦，手機(jī),LCD/LED電視機(jī)/顯示器，LED燈，USB充電器，用的都是直流系統(tǒng)。所以幾乎每一個(gè)電器都需要有一個(gè)交流轉(zhuǎn)低直流的電源系統(tǒng)，來(lái)作為主要或者輔助的電能供給系統(tǒng)。上面是JQH公司一個(gè)180W的通用電源的開(kāi)放模塊，其中電感/變壓器(紅色部分）占了很大的體積。也就是說(shuō)，當(dāng)我們身邊的充電器及電源的體積越來(lái)越小的時(shí)候，也需要電感的越來(lái)越小以及頻率越來(lái)越高！太陽(yáng)能逆變器太陽(yáng)能電池的直接輸出一個(gè)變化的直流電壓電流，不能直接被電網(wǎng)中的客戶給使用。所以太陽(yáng)能的系統(tǒng)中需要有一個(gè)帶MPPT(MaxPowerPointTracking)的DC/DC和并網(wǎng)用的DC/AC，統(tǒng)稱太陽(yáng)能逆變器！下圖是一個(gè)典型的1kW的太陽(yáng)能逆變器的解剖圖，紅圈部分都是電感等磁性元件，占到總部件的很大部分。無(wú)線充電裝置為了方便使用，無(wú)線充電(WPT,WirelessPowerTransfer)的概念已經(jīng)慢慢在手機(jī)，電動(dòng)牙刷及電動(dòng)汽車(chē)等電器設(shè)備中推廣開(kāi)來(lái)。無(wú)論是采用感應(yīng)式原理的